苗 雪, 王永進(jìn), 王方明

(1. 北京服裝學(xué)院 服裝藝術(shù)與工程學(xué)院, 北京 100029; 2. 蘇州市興豐強(qiáng)紡織科技有限公司, 江蘇 蘇州 215227)

隨著人們生活水平的提升,選擇保暖服裝時(shí)已經(jīng)不只局限于滿足日常保暖需求,更多是追求服裝的輕便、美觀等功能。充氣保暖服作為有潛力代替羽絨服等的一類新型環(huán)保類保暖服裝,近來(lái)受到廣泛關(guān)注和喜愛(ài),也成為了服裝行業(yè)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前已有不少關(guān)于充氣服的研究報(bào)道,蘇文楨等[1]針對(duì)充氣服裝的保暖性能進(jìn)行了測(cè)試,證明了充氣服裝在一定程度上具有動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)保暖效果的功能[2];周冰潔[3]根據(jù)人體肌肉線條分布特點(diǎn)對(duì)充氣服進(jìn)行了研發(fā)設(shè)計(jì),進(jìn)一步推廣了充氣技術(shù)在服裝領(lǐng)域的應(yīng)用;郝靜雅等[4]驗(yàn)證和分析了充氣保暖服的熱濕舒適性,發(fā)現(xiàn)當(dāng)充氣馬甲的充氣厚度為20 mm時(shí)保暖效果最佳;韓志清等[5]針對(duì)充氣防寒服的開(kāi)口設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究,為充氣服的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考;王卓然[6]探討了充氣服的設(shè)計(jì)方法;崔彥[7]根據(jù)充氣調(diào)溫材料開(kāi)發(fā)了智能控制系統(tǒng),改善了充氣服的功能。

在充氣保暖服相關(guān)研究中,針對(duì)充氣復(fù)合面料自身的研究相對(duì)較少,而服裝的保暖性受多種因素影響,其中服裝材料是影響其保暖性的重要因素[8]。材料的保暖性能主要取決于材料的導(dǎo)熱系數(shù),靜止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)最小[9],因此通常作為提升服裝材料保暖性的理想材料,充氣保暖功能服裝也正是利用了這個(gè)原理。目前針對(duì)空氣層保暖效果研究的人較多,如:毛雷等[10]的研究顯示,空氣層可以增加服裝保暖效果,且空氣層厚度并非越大保暖效果越好,存在最佳值;孫佳慧等[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了空氣層對(duì)保暖性能的影響,發(fā)現(xiàn)空氣層厚度小于10 mm時(shí)保暖性能較好。但是,針對(duì)充氣量、充氣復(fù)合面料厚度與保暖性之間的關(guān)系研究相對(duì)較少,而探究充氣復(fù)合面料厚度與熱阻之間的關(guān)系十分必要。本文針對(duì)此問(wèn)題開(kāi)展研究,通過(guò)探究充氣量、充氣復(fù)合面料厚度與熱阻之間的關(guān)系,建立相關(guān)模型,以期為企業(yè)及研究人員開(kāi)發(fā)充氣保暖服提供理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 充氣復(fù)合面料制作

通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研選取了最常用的不同花型的高密度復(fù)合面料(蘇州市興豐強(qiáng)科技有限公司提供)。圖1 為復(fù)合面料的結(jié)構(gòu)示意圖[12]?？梢钥吹?復(fù)合面料由面布、聚氨酯(PU)膜、待充氣層(空氣通道)、PU膜、底布構(gòu)成,具有5層結(jié)構(gòu)。通過(guò)高溫壓燙對(duì)復(fù)合面料的面布和底布進(jìn)行熱塑性聚氨酯(TPU)覆膜,采用3D膠合技術(shù)[13]將面料壓出花型,中間留出充氣空間。對(duì)復(fù)合面料進(jìn)行封邊、安裝氣嘴,通過(guò)手動(dòng)按壓充氣膠球通入氣體,制成40 cm×40 cm充氣復(fù)合面料作為測(cè)試試樣。本文實(shí)驗(yàn)選取了12種不同復(fù)合面料、3種壓膠花型進(jìn)行實(shí)驗(yàn),PU膜相同,均為具有透濕性能的高密度聚氨酯膜,充氣復(fù)合面料基本信息如表1所示。表中的面布、底布所用的經(jīng)紗與緯紗線密度相同。圖2為充氣復(fù)合面料壓膠花型示意圖。實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試了5種不同充氣狀態(tài)下的充氣復(fù)合面料厚度及熱阻,探究不同充氣復(fù)合面料、不同充氣量對(duì)充氣復(fù)合面料厚度及熱阻的影響規(guī)律。充氣量的多少通過(guò)外部充氣膠球及充氣軟管進(jìn)行手動(dòng)控制。

表1 充氣復(fù)合面料基本信息

圖1 復(fù)合面料5層結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 充氣復(fù)合面料試樣花型示意圖

1.2 充氣量標(biāo)準(zhǔn)的確定

通過(guò)外界條件向試樣內(nèi)部充入氣體,通常采用的方式有手捏膠球形式及充氣泵形式等。由于目前在充氣量的確定上,還沒(méi)有相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),為便于后續(xù)實(shí)驗(yàn)操作,需要確定統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。首先需要對(duì)試樣的充滿狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試,即對(duì)試樣進(jìn)行充氣極端臨界測(cè)試。本文實(shí)驗(yàn)是測(cè)試試樣在充滿狀態(tài)下膠球的按壓次數(shù),以聽(tīng)到面料輕微撕裂聲時(shí)為100%充氣量標(biāo)準(zhǔn),據(jù)此分別設(shè)定30%、50%、70%充氣量,同時(shí)測(cè)試復(fù)合面料本身的厚度及熱阻,即定義為充氣狀態(tài)為0%時(shí)的充氣量。不同的壓膠形狀決定了充氣量的多少,從而又決定了充氣復(fù)合面料的厚度。為探究對(duì)充氣復(fù)合面料熱阻的影響因素,本文分別測(cè)試12種復(fù)合面料在設(shè)定的5種充氣狀態(tài)(0%、30%、50%、70%、100%)下的厚度和熱阻,探究其影響規(guī)律。

本文實(shí)驗(yàn)充氣標(biāo)準(zhǔn)的確定是根據(jù)充氣復(fù)合面料試樣在臨界撕裂狀態(tài)時(shí)的極限測(cè)試作為充滿狀態(tài),而非正常人體著裝充氣服時(shí)的充滿狀態(tài)。著裝時(shí)還需考慮充氣后的內(nèi)部氣壓狀態(tài)以及著裝舒適性等因素,穿著充氣服的充滿狀態(tài)通常為試樣極端充滿狀態(tài)的一半左右,也可以根據(jù)需求進(jìn)行充氣量的調(diào)整。

1.3 充氣復(fù)合面料厚度及熱阻測(cè)試

1.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

YG141 L數(shù)字式織物厚度儀(常州市雙固頓達(dá)機(jī)電科技有限公司);YG186蓬松織物測(cè)厚儀(寧波紡織儀器廠);M295B熱阻濕阻測(cè)試儀(錫萊-亞太拉斯有限公司);電子游標(biāo)卡尺(昆山杰斯特精密儀器有限公司);長(zhǎng)度為40 cm的充氣軟管、充氣膠球、鋼板尺,市售。

1.3.2 充氣復(fù)合面料試樣厚度測(cè)試

依照GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測(cè)定》,對(duì)5種不同充氣狀態(tài)下充氣試樣進(jìn)行厚度測(cè)試,即統(tǒng)計(jì)0%、30%、50%、70%、100%充氣量時(shí),充氣復(fù)合面料的厚度。根據(jù)織物厚度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及5種狀態(tài)下的充氣復(fù)合厚度范圍,采用不同設(shè)備參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)充氣量為0%時(shí),即測(cè)試復(fù)合面料自身厚度,參照普通類織物樣品參數(shù),壓膠面積為(2 000±20) mm2,加壓時(shí)間為(10±2 ) s,使用數(shù)字式織物厚度儀測(cè)試;充入氣體后試樣變得蓬松,當(dāng)厚度小于20 mm時(shí),參照蓬松類織物參數(shù),壓腳面積為(20 000±100 ) mm2,加壓時(shí)間為(10±2) s,使用數(shù)字式織物厚度儀測(cè)試;當(dāng)厚度大于20 mm時(shí),參照蓬松類織物測(cè)試方法,使用蓬松織物測(cè)厚儀進(jìn)行測(cè)試。每次實(shí)驗(yàn)測(cè)量5次取平均值,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。

1.3.3 充氣復(fù)合面料試樣熱阻測(cè)試

依照GB/T 11048—2008《紡織品 生理舒適性 穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測(cè)定》,控制熱阻濕阻測(cè)試儀實(shí)驗(yàn)板溫度為(35±0.1) ℃,氣候室內(nèi)溫度為(20±0.1) ℃,相對(duì)濕度為(65±3)%,空氣流速為(1±0.05) m/s,使儀器處于穩(wěn)定狀態(tài)后,將試樣放入空氣室內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。充氣復(fù)合面料試樣熱阻Rct計(jì)算公式為

式中:Tm為實(shí)驗(yàn)板表面溫度,℃;Ta為氣候室空氣溫度,℃;A為熱板表面積,m2;H為提供給測(cè)試面板的加熱功率,W;ΔHc為熱阻測(cè)定中加熱功率的修正量,W;Rct0為熱阻測(cè)定的儀器常數(shù),m2·K/W。

分別測(cè)試每種試樣在5種充氣狀態(tài)下的熱阻值。注意需要隨著充氣復(fù)合面料試樣厚度的不同,調(diào)整熱阻濕阻測(cè)試儀吹風(fēng)口的高度,保持在1.5 cm,當(dāng)試樣厚度較大時(shí),為防止邊緣能量散失,需要在試樣周圍放置相應(yīng)厚度的黑色泡沫邊框,以減小測(cè)試誤差。實(shí)驗(yàn)儀器每15 min出1組數(shù)據(jù),每次實(shí)驗(yàn)取3組有效數(shù)據(jù),計(jì)算平均值。

1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),利用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)整理,使用spss軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素分析、相關(guān)性及多重比較分析。首先通過(guò)皮爾遜相關(guān)性分析,分別對(duì)各影響因素進(jìn)行相關(guān)性分析,探究充氣量對(duì)充氣復(fù)合面料厚度、熱阻的影響,并進(jìn)行擬合回歸分析,建立擬合方程得出相關(guān)關(guān)系模型。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3示出12種試樣不同充氣量下的厚度測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯?12種試樣的厚度均隨充氣量的增加而變大。在充氣量為0%時(shí),試樣7#厚度最小(0.33 mm)、10#厚度最大(1.37 mm);當(dāng)充氣量為30%時(shí),試樣7#厚度最大(9.33 mm);充氣量為50%時(shí),試樣11#厚度最大(25.67 mm),試樣6#厚度最小(14.67 mm),試樣厚度之間差異性較為顯著;當(dāng)充氣量為70%時(shí),試樣10#厚度最大(47.00 mm),試樣1#厚度最小(29 mm),差異性非常顯著;當(dāng)充氣量為100%時(shí),試樣12#厚度最大(55.67 mm),試樣3#厚度最小(35.00 mm),差異性顯著。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,充氣量決定充氣復(fù)合面料試樣厚度的大小,試樣厚度隨充氣量的增加而增大,當(dāng)充氣量較少時(shí),不同試樣的厚度差異性較小,隨充氣量的增加,不同試樣之間厚度差異性較為顯著。

圖3 充氣復(fù)合面料厚度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4示出12種充氣復(fù)合面料熱阻實(shí)驗(yàn)結(jié)果。測(cè)試結(jié)果顯示:當(dāng)充氣量為0%時(shí),試樣7#熱阻最小(0.120 2 m2·K/W),試樣10#熱阻最大(0.196 3 m2·K/W),試樣7#面料本身的厚度最小且保暖性最差,試樣10#面料本身的厚度最大且熱阻最大,最為保暖;當(dāng)充氣量為30%時(shí),試樣1#熱阻最小,試樣10#熱阻最大;當(dāng)充氣量為50%時(shí),試樣2#熱阻最小,試樣10#熱阻最大,且與其它試樣熱阻差異性顯著;當(dāng)充氣量為70%時(shí),試樣7#熱阻最小,試樣10#熱阻最大;當(dāng)充氣量為100%時(shí),試樣7#熱阻最小,試樣2#熱阻最大。

圖4 充氣復(fù)合面料熱阻實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,充氣復(fù)合面料試樣熱阻與面料自身的性能有關(guān),試樣10#的底布面料為搖粒絨面料,所以熱阻值相對(duì)較大,且與其它面料差異性較為顯著,從整體看充氣復(fù)合面料試樣熱阻隨充氣量的增加先上升后趨于穩(wěn)定。

2.2 多因素相關(guān)性分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,首先通過(guò)皮爾遜相關(guān)性分析,探究不同復(fù)合面料、充氣量、充氣復(fù)合面料厚度及熱阻4個(gè)因素之間的相關(guān)性,結(jié)果如表2所示。復(fù)合面料與充氣量、充氣復(fù)合面料厚度、熱阻之間的r(皮爾遜相關(guān)性系數(shù))值分別為0.000、0.140、0.076,均小于0.3,且p值(檢驗(yàn)值)均大于0.05,說(shuō)明復(fù)合面料種類這個(gè)因素對(duì)充氣量、厚度及熱阻相關(guān)性不顯著,影響較小,因此,本文實(shí)驗(yàn)可以不考慮復(fù)合面料自身對(duì)充氣面料厚度和熱阻的影響。充氣量與充氣復(fù)合面料厚度及熱阻均呈現(xiàn)較強(qiáng)的顯著性關(guān)系,其中充氣量與充氣復(fù)合面料厚度的r值為0.946,大于0.8,且p<0.01,證明充氣量與厚度呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系;充氣量與熱阻之間的r值為0.823,大于0.8,且p<0.01,說(shuō)明二者之間存在較顯著的正相關(guān)關(guān)系。充氣量是影響充氣復(fù)合面料厚度的直接原因,在不考慮面料對(duì)熱阻的影響時(shí),充氣復(fù)合面料厚度與熱阻的r值為0.748,說(shuō)明充氣復(fù)合面料厚度與其熱阻存在較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。通過(guò)相關(guān)性分析可以得出充氣量、充氣復(fù)合面料厚度及充氣后熱阻三者之間存在相關(guān)性,可以進(jìn)一步進(jìn)行回歸分析。

表2 皮爾遜相關(guān)性分析

2.3 擬合回歸模型的構(gòu)建

2.3.1 充氣量與充氣復(fù)合面料厚度的關(guān)系

根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)論,進(jìn)一步探究充氣量與充氣復(fù)合面料厚度之間的關(guān)系。通過(guò)spss軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,選擇Linear線性回歸函數(shù)進(jìn)行線性擬合,結(jié)果如圖5所示。將12種充氣復(fù)合面料厚度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并置擬合,得出方程為y=0.401 23x+0.630 3,R2=0.401 46。通過(guò)方差分析F檢驗(yàn)得出F=38.902 0,sig.小于0.05,證明方程模型建立比較成功,說(shuō)明充氣量與充氣復(fù)合面料試樣厚度之間存在正相關(guān)關(guān)系。

圖5 充氣量與充氣復(fù)合面料厚度擬合回歸模型

2.3.2 充氣量與充氣復(fù)合面料熱阻的關(guān)系

使用Origin軟件將實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制散點(diǎn)圖,觀察散點(diǎn)圖的分布發(fā)現(xiàn),充氣量與充氣復(fù)合面料熱阻存在線性趨勢(shì),但并不完全呈線性關(guān)系,因此進(jìn)行非線性曲線擬合,結(jié)果如圖6所示。將12組數(shù)據(jù)并置擬合,選擇Logistic模型,通過(guò)Levenberg-Marquardt迭代優(yōu)化算法,得出模型方程y=A2+(A1-A2)/(1+(x/x0)p)。式中:A1為0.138 08±0.007 02;A2為0.433 8±0.307 11;x0為24.629 45±80.197 49;p為0.604 93±1.027 6。擬合優(yōu)度R2=0.906 85,擬合收斂,且達(dá)到Chi-sqr容差值,擬合模型建立成功。

圖6 充氣量與熱阻擬合回歸模型

通過(guò)殘差分析對(duì)方程進(jìn)行檢驗(yàn),可以得出該模型的Durbin-Watson檢驗(yàn)值在[0,4]之間,且觀察其殘差圖處于相對(duì)滿意狀態(tài),證明該擬合模型有價(jià)值,因此可以通過(guò)充氣量判斷充氣復(fù)合面料試樣的熱阻值,二者存在相關(guān)性。充氣量越多試樣的熱阻越大,當(dāng)充氣量較少時(shí),熱阻值提升較快;當(dāng)充氣量在50%以內(nèi)時(shí),熱阻值變化最為顯著,保暖效果提升極為明顯;之后隨充氣量的增加,熱阻值趨于平穩(wěn)。

2.3.3 充氣復(fù)合面料厚度與其熱阻的關(guān)系

圖7 充氣復(fù)合面料厚度與熱阻擬合回歸模型

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明充氣復(fù)合面料厚度越大其熱阻值越大,且厚度在0～20 mm時(shí)熱阻值變化最大,保暖效果最為顯著;當(dāng)厚度超過(guò)20 mm時(shí),熱阻值變化較小趨于平穩(wěn),因此,可以認(rèn)為充氣復(fù)合面料厚度通常在20 mm左右保暖性能相對(duì)較好且較為穩(wěn)定,可作為充氣保暖服裝厚度的選擇參考依據(jù)。同樣也可以根據(jù)不同的環(huán)境需求,對(duì)其厚度(充氣量)進(jìn)行調(diào)整,從而達(dá)到不同的保暖效果。

3 結(jié) 論

本文選取充氣保暖服裝市場(chǎng)上常見(jiàn)的12種復(fù)合面料,通過(guò)測(cè)試充氣后的厚度及熱阻,探究不同充氣量、充氣復(fù)合面料厚度及其熱阻三者之間的關(guān)系,建立了關(guān)系模型,并得出以下結(jié)論。

1)充氣量越大充氣復(fù)合面料厚度越大,二者呈線性分布狀態(tài)。當(dāng)充氣量較小時(shí),不同充氣復(fù)合面料厚度差異性較小;充氣量越大,不同充氣復(fù)合面料之間的厚度差異性越顯著。

2)充氣量與熱阻可以建立Logistic模型,當(dāng)充氣量處于50%以內(nèi)時(shí)熱阻變化較為顯著,保暖效果顯著,隨著充氣量不斷增加,熱阻值逐漸趨于穩(wěn)定。

3)充氣復(fù)合面料厚度與熱阻可以建立Logistic模型,充氣后熱阻隨充氣量的增加,呈現(xiàn)先顯著增加后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。充氣復(fù)合面料厚度在20 mm左右時(shí),其保暖性能相對(duì)較好且較為穩(wěn)定,可以根據(jù)需求調(diào)整充氣復(fù)合面料厚度以達(dá)到不同保暖效果。

綜上所述,本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了充氣復(fù)合面料具有調(diào)控?zé)嶙韫δ?且充氣復(fù)合面料厚度與熱阻存在一定的相關(guān)規(guī)律性,在日常著裝時(shí)可以根據(jù)所建模型,對(duì)充氣量及充氣復(fù)合面料厚度進(jìn)行調(diào)整,從而滿足不同環(huán)境下的保暖需求,同時(shí)也為相關(guān)研究人員提供數(shù)據(jù)參考。充氣功能服裝的整體保暖性受服裝面料、款式、著裝方式等多種因素影響,且保暖服裝的功能性和舒適性可能存在相互牽制,如何兼顧保暖性與舒適性,也是未來(lái)研究的方向之一。